DE3907758A1

DE3907758A1 - Method and apparatus for depth treatment by means of laser beam

Info

Publication number: DE3907758A1
Application number: DE3907758A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dr Ernst; John Timmins
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Verwaltungs Stiftung
Priority date: 1989-03-10
Filing date: 1989-03-10
Publication date: 1990-09-20
Also published as: DE3907758C2

Abstract

A method and an apparatus for workpiece treatment, in particular for welding, by means of a laser beam (12) is to be designed in such a way that the laser source (13) can be operated with constant, optimally proportioned output and yet the thermal energy requirement fluctuating locally along the treatment path (s) is fed into the workpiece (11) without having to realise feed paths of different depth for this. Depending on the thermal requirements, the solution provides for different relative velocities between laser beam (12) and workpiece (11), preferably following and opposing movements (vm, vg), alternating in step-back oscillating sequence, of the laser beam (12) with regard to the workpiece movement (vw) in accordance with periodically recurrent, thermal requirement zones along the treatment path (s) at the workpiece (11). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des An spruches 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 5.The invention relates to a method according to the preamble of the An award 1 and a device according to the preamble of the claim 5.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind beispielsweise aus der DE-OS 37 10 816 bekannt.The measures according to the invention are for example from DE-OS 37 10 816 known.

Die Eindringtiefe eines Laserstrahles in ein Werkstück bzw. die thermische Wirkung des Laserstrahles im Werkstück-Inneren, läßt sich grundsätzlich dadurch beeinflussen, daß die momentane Betriebs leistung der Laserquelle nach Maßgabe der momentanen Anforderung - beispielsweise beim Zusammenschweißen zweier aufeinanderliegender Stücke - verändert wird. Allerdings verändert sich mit der Abgabe leistung auch der Wirkungsgrad einer Laserquelle, was zu erheblichen thermischen Verlusten insbesondere bei Hochenergie-Laserquellen führt. Die deshalb betriebstechnisch zu bevorzugende Arbeit mit einem auf optimalen Wirkungsgrad eingestellten Laser kann zwar so ausgelegt werden, daß längs der Behandlungsbahn (beispielsweise einer Schweiß naht) eine im Mittel angepaßte thermische Energiebilanz vorliegt; dann werden aber beispielsweise schwächere Materialzonen überhitzt, während für die anzustrebende Behandlung in Strahlrichtung gemes sen stärkeren, bzw. mit besseren Wärmeableitgegebenheiten ausgestat teten, Materialzonen die eingebrachte Laserenergie thermisch nicht ausreicht. The depth of penetration of a laser beam in a workpiece or the thermal effect of the laser beam in the workpiece interior, can in principle be influenced by the fact that the current operation power of the laser source in accordance with the current request - for example, two welding together superposed pieces - is changed. However, the efficiency of a laser source also changes with the output power, which leads to considerable thermal losses, particularly in the case of high-energy laser sources. The work that is therefore preferred from an operational point of view, with a laser set to optimum efficiency, can indeed be designed in such a way that an average thermal energy balance is available along the treatment path (for example, a weld is approaching); then, for example, weaker material zones are overheated, while for the treatment to be aimed for in the beam direction measured stronger or equipped with better heat dissipation, material zones, the laser energy introduced is not thermally sufficient.

Um solche Unzulänglichkeiten zu vermeiden, aber dennoch mit konstanter (optimierter) Leistung der Laserquelle arbeiten zu können, könnte man daran denken, je nach den Eindringerfordernissen der Laserenergie den Strahl zu schwenken, also je nach der örtlichen thermischer Anforde rung den Strahlenweg gemäß den trigonometrischen Gegebenheiten zu vari ieren; denn wenn die Strahlrichtung senkrecht zur Werkstück-Oberfläche ausgerichtet ist, wird der höchste Energiebetrag im Werkstück-Inneren wirksam. Eine solche nach Maßgabe der lokalen Werkstück-Gegebenheiten erfolgende Veränderung der Strahlrichtung relativ zum Werkstück er forderte aber großen apparativen Aufwand.To avoid such shortcomings, but with constant (Optimized) performance of the laser source could work remember, depending on the penetration requirements of laser energy To swing the beam, depending on the local thermal requirements to vary the beam path according to the trigonometric conditions ieren; because if the beam direction is perpendicular to the workpiece surface is aligned, the highest amount of energy is inside the workpiece effective. One according to the local workpiece conditions change in the beam direction relative to the workpiece but required a lot of equipment.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung gattungsgemäßer Art der art auszugestalten, daß sich bei verringerten apparativen Zusatzauf wendungen ein optimaler Betrieb der Bearbeitungs-Laserquelle reali sieren läßt.In the knowledge of these circumstances, the object of the invention reasons, a method or a device of the generic type Art to design that with reduced additional equipment optimal operation of the processing laser source reali sieren.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß das Verfahren bzw. die Vorrichtung die Merkmale des jeweiligen Kennzeichnungsteils der eingangs zitierten Ansprüche aufweist.According to the invention, this object is essentially achieved by that the method and the device have the characteristics of the respective Characterizing part of the claims cited at the outset.

Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung liegt also darin, so wohl auf eine Intensitätssteuerung wie auch auf eine Richtungssteue rung der Laserquelle zu verzichten und statt dessen die unterschied liche thermische Beanspruchung aufeinanderfolgender Materialbereiche längs der vorgesehenen Behandlungsbahn dadurch zu ealisieren, daß lokal unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Laser strahl und dem zu behandelnden Werkstück vorgegeben werden. Eine solche Geschwindigkeitssteuerung ist relativ einfach über den Werk stück-Vorschub möglich, der aber oft aus fertigungstechnischen Grün den konstant und vorbekannt ist. The basic idea of the solution according to the invention is thus so probably on an intensity control as well as a directional control the laser source and instead the difference thermal stress on successive material areas to achieve along the intended treatment path in that locally different relative speeds between the laser beam and the workpiece to be treated. A such speed control is relatively simple via the factory Piece feed possible, but often out of manufacturing green which is constant and well known.

Zweckmäßigerweise überlagert sich diesem eine entsprechende Verlage rung der Laserquelle, wofür lediglich eine verfahrbare Anordnung der Laserquelle in Richtung der Behandlungsbahn erforderlich ist, aber nicht der erwähnte Aufwand für ein richtungssteuerbares Kippgelenk. Dadurch lassen sich sehr unterschiedlichere Schweißgeschwindigkeiten sehr feinfühlig einstellen und sehr rasch umsteuern zwischen großen Relativgeschwindigkeiten aufgrund gegenläufiger Bewegung von Laser quelle und Werkstück sowie kleinen Relativgeschwindigkeiten bei gleichsinnigen Bewegungen. Da die Linearbewegungenl einerseits des Werkstückes und andererseits der Laserquellen-Aufhängung steue rungstechnisch unkritische Antriebe aufweisen, sind Verkopplungen zur gegenseitigen Beeinflussung im Interesse der Einhaltung be stimmter vorgegebener Relativgeschwindigkeitsänderungen regelungs technisch unproblematisch realisierbar.Appropriate publishers are expediently superimposed on the latter tion of the laser source, for which only a movable arrangement of the Laser source towards the treatment path is required, however not the mentioned effort for a directionally controllable tilt joint. This allows very different welding speeds adjust very sensitively and switch very quickly between large ones Relative speeds due to opposite movement of laser source and workpiece as well as small relative speeds movements in the same direction. Since the linear movements on the one hand the Workpiece and on the other hand the laser source suspension Having drives that are not technically critical are couplings for mutual influence in the interest of compliance agreed predetermined relative speed changes control technically unproblematic.

Von besonderem praktischem Interesse ist die erfindungsgemäße Lösung im Hinblick auf die Behandlung von Werkstücken quasi-unendlicher Erstreckung, wobei in dieser Richtung der Behandlungsbahn periodisch wiederkehrend schwankende Zonen höheren und niedrigeren thermischen Leistungsbedarfes aufeinanderfolgen, beispielsweise beim Verschweißen gerippter Werkstücke längs einer Bahn, die quer zur Rippenerstreckung verläuft. Denn dann kann die Laserquelle relativ zum Vorschub der Werkstücke gewissermaßen im Pilgerschritt-Pendelbetrieb bewegt wer den. Darunter ist zu verstehen, daß die Laserquelle in Bereichen hohen Energiebedarfes mit dem Werkstück mitbewegt, dagegen in Be reichen geringen Energiebedarfes gegenläufig bewegt wird. Die Peri odizität der Energiebedarfs-Zonen ermöglicht deshalb eine solche Dimensionierung der Bewegungsverhältnisse, daß nur eine periodische Auslenkung der Laserquelle um einen stationären Punkt herum auftritt, so daß die Werkstücke kontinuierlich oder jedenfalls quasi-kontinuier lich an diesem beschränkten Bewegungsbereich der Laserquelle vorbei bewegt werden können, weil die Bewegungs-Zeit-Integrale der Laser quellen-Verschiebung in mitlaufender und in gegenlaufender Richtung bezüglich der Werkstücke sich gerade kompensieren. The solution according to the invention is of particular practical interest quasi-infinite with regard to the treatment of workpieces Extension, being periodic in this direction of the treatment path recurring fluctuating zones higher and lower thermal Power requirements follow one another, for example when welding Ribbed workpieces along a path that is transverse to the rib extension runs. Because then the laser source can be relative to the feed of the To a certain extent, workpieces are moved in the pilgrim pendulum mode the. This means that the laser source in areas high energy requirements with the workpiece, on the other hand in loading low energy consumption is moved in the opposite direction. The Peri Odicity of the energy requirement zones therefore enables such Dimensioning of the movement relationships that only a periodic Deflection of the laser source occurs around a stationary point, so that the workpieces are continuous or at least quasi-continuous Lich past this limited range of motion of the laser source can be moved because the movement-time integrals of the laser Source shift in the parallel and in the opposite direction compensate for the workpieces.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammenfassung, aus nachstehender Beschrei bung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert und nicht maßstabsgerecht skizziert bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung. Es zeigt:Additional alternatives and further training as well as further features and advantages of the invention result, also taking into account the explanations in the summary, from the description below Practice one in the drawing, limiting it to the essentials strongly abstracted and not drawn to scale preferred Realization example for the solution according to the invention. It shows:

Fig. 1 im Querschnitt zwei längs einer Laserstrahl-Behandlungsbahn miteinander unter periodisch wechselnder Leistungseinbrin gung miteinander zu verschweißende Werkstücke und Fig. 1 in cross section two along a laser beam treatment path with periodically changing power supply to be welded workpieces and

Fig. 2 ein Zeit-Geschwindigkeits-Diagramm zur Darstellung der wirk samen, periodisch schwankenden Schweißleistung nach Maßgabe unterschiedlicher Realivgeschwindigkeiten zwischen dem Laser strahl und den Werkstücken. Fig. 2 is a time-speed diagram to show the effective, periodically fluctuating welding power according to different real speeds between the laser beam and the workpieces.

Im zeichnerisch skizzierten Beispielsfalle soll ein Träger-Werkstück 11.1 mit einem Deck-Werkstück 11.2 durch Einbringung der Energie eines fokussierten Laserstrahles 12 längs einer (hier beispielsweise linearen, in der Zeichenebene verlaufenden, grundsätzlich aber be liebig vorgebbaren) Behandlungsbahn s verbunden werden. Die den Hoch energie-Laserstrahl 12 liefernde Laserquelle 13 wird zweckmäßiger Weise kontinuierlich mit hinsichtlich ihres Wirkungsgrades optimierter Leistung betrieben. Eine konstante Leistung des Laserstrahles 12 würde allerdings zur Folge haben, daß die Eindringtiefe bzw. die Leistungsbilanz im Inneren der Werkstück-Paarung 11-11 dort geringer ist, wo das Deck-Werkstück 11.2 eine größere Höhe in Strahlrichtung aufweist, also längs eines längeren Weges durchdrungen werden muß. Ähnliche Probleme treten auch bei anderen als den skizzierten Werk stückpaarungen auf, etwa wenn das Träger-Werkstück 11 regional ge schwächt ist und deshalb die dort eindringende Laserleistung zur Vermeidung von ungewünschten Auswirkungen reduziert sein sollte. In the example outlined in the drawing, a carrier workpiece 11.1 is to be connected to a cover workpiece 11.2 by introducing the energy of a focused laser beam 12 along a treatment path s (here, for example, linear, running in the plane of the drawing, but basically predefinable as desired). The laser source 13 which supplies the high-energy laser beam 12 is expediently operated continuously with performance optimized in terms of its efficiency. A constant power of the laser beam 12 would, however, have the consequence that the depth of penetration or the power balance in the interior of the workpiece pairing 11-11 is less where the cover workpiece 11.2 has a greater height in the beam direction, that is to say along a longer path must be penetrated. Similar problems also occur in pairs of pieces other than those outlined, for example when the carrier workpiece 11 is regionally weakened and the laser power penetrating there should therefore be reduced to avoid undesired effects.

Um solche lokalen thermischen Überbeanspruchungen zu vermeiden und dennoch mit konstanter Leistung der Laserquelle 13 arbeiten zu kön nen, wird die längs der Behandlungsbahn s gegebene Relativgeschwin digkeit vs zwischen dem Laserstrahl 12 und den Werkstücken 11 nach Maßgabe der vorgegebenen Energiedichteverteilung, insbesondere also nach Maßgabe der in Strahlrichtung gemessenen Materialstärke vari iert. Dafür ist eine Vorschubeinrichtung 14 vorgesehen, mittels der die Werkstücke 11 relativ zur Laserquelle 13 oder, insbesondere bei kontinuierlich aus einer Herstellungs- oder Bestückungseinrichtung angelieferten Werkstücken 11, die Laserquelle 13 relativ zu jenen verfahren wird. Dabei ergeben sich, wie aus Fig. 2 ersichtlich, geringere Relativgeschwindigkeiten vs 1, wenn eine mitläufige Be wegung erfolgt, dagegen größere Relativgeschwindigkeiten vs 2 bei gegenläufiger Bewegung zwischen Laserstrahl 12 und Werkstücken 11. Sowohl bei mitlaufender Bewegung m wie auch gegenlaufender Bewe gung g ist grundsätzlich zu erwarten, daß der Laserstrahl 12 auf grund seiner Relativgeschwindigkeit gegenüber den Werkstücken 11 schließlich einmal das Ende einer zu bearbeitenden Werkstückpaarung 11-11 erreicht. Wenn jedoch, was in der Praxis regelmäßig der Fall sein wird, aufgrund der Werkstücksgeometrien periodische Geschwin digkeitsschwankungen erforderlich sind, dann kann die Laserquelle 13 leistungsmäßig dafür ausgelegt werden, daß mitlaufende und gegen laufende Relativbewegungen einander abwechseln und im Mittel relativ zur Werkstückbewegung vw aufheben, wie in Fig. 2 durch die Wechsel folge gleicher Flächenbeträge veranschaulicht. So kann eine kontinu ierliche Behandlung kontinuierlich nachgelieferter Werkstücke 11 er folgen. Bezogen auf die Beispielsdarstellung der Zeichnung bedeutet das, daß die Relativgeschwindigkeit vs über der Zeit t periodisch zwischen mitlaufenden Zeitspannen tm und gegenlaufenden Zeitspannen tg bei höherer bzw. niedrigerer in die Werkstückpaarung 11-11 einzu bringender Laserleistung (entsprechend beispielsweise, wie in Fig. 1 gezeichnet, abwechselnd größerer und niedrigerer Höhe des Deck-Werk stückes 11.2) schwankt. Damit ist nur eine endliche Länge der Be wegungsführung für eine Laserquellen-Vorschubeinrichtung 14 erfor derlich, wie in Fig. 1 oben symbolisch berücksichtigt. To such local thermal stresses and avoid NEN nevertheless operate at constant power of the laser source 13 Koen, along the treatment path is s given Relativgeschwin velocity vs between the laser beam 12 and the workpieces 11 in accordance with the predetermined energy density distribution, ie in particular in accordance with the in Beam direction measured material thickness varies. For this purpose, a feed device 14 is provided, by means of which the workpieces 11 are moved relative to the laser source 13 or, in particular in the case of workpieces 11 delivered continuously from a manufacturing or equipping device, the laser source 13 is moved relative to those. As can be seen from FIG. 2, this results in lower relative speeds vs 1 if there is a concurrent movement, whereas larger relative speeds vs 2 result in opposite movement between laser beam 12 and workpieces 11 . Both with moving motion m as well as counter-moving movement g it is fundamentally to be expected that the laser beam 12 will finally reach the end of a pair of workpieces to be machined 11-11 due to its relative speed relative to the workpieces 11 . However, if, as will be the case in practice on a regular basis, periodic speed fluctuations are required due to the workpiece geometries, then the laser source 13 can be designed in terms of performance in such a way that moving and counter-running relative movements alternate with one another and cancel out on average relative to the workpiece movement vw , such as illustrated in Fig. 2 by the change sequence of equal area amounts. So a continuous treatment of continuously supplied workpieces 11 can follow it. Based on the example representation of the drawing, this means that the relative speed vs over time t periodically between moving time periods tm and opposite running time periods tg with higher or lower laser power to be brought into the workpiece pair 11-11 (corresponding, for example, as shown in FIG. 1 , alternately higher and lower height of the deck workpiece 11.2 ) fluctuates. Thus, only a finite length of the movement guide for a laser source feed device 14 is necessary, as symbolically taken into account above in FIG. 1.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es also möglich, die Produktivi tätseinbuße zu vermeiden, die normalerweise auftritt, wenn die system optimale Laserleistung aus werkstofftechnischen Gründen reduziert wer den muß. Zwar könnte die wirksame Streckenenergie durch eine Variation der Vorschubgeschwindigkeit des Werkstückes verändert werden, um stets mit konstanter Laserleistung zu arbeiten; in der Praxis bewegt das Werk stück sich aber aus technologischen Gründen in der Regel mit konstanter Geschwindigkeit. Bei Werkstücken mit konstruktionsbedingt oder sonstwie systembedingt periodisch schwankender Anforderung an die Laserenergie wird deshalb nach vorliegender Erfindung eine Pendelschritt-Bewegung der Laser-Fokussiereinheit relativ zum Werkstück realisiert, um so im zeitlichen Mittel eine austarierte Bewegung zu erzielen, wofür die Fokussiereinheit sich nur über kleine Strecken im Verhältnis zur Ge samt-Bearbeitungsstrecke längs des Werkstückes bewegen muß.The solution according to the invention therefore makes it possible to increase the productivity to avoid the loss of crime that normally occurs when the system optimal laser power for technical reasons is reduced that must. The effective track energy could be varied the feed rate of the workpiece can be changed to always work with constant laser power; in practice, the work moves For technological reasons, however, they usually have a constant Speed. For workpieces with construction-related or otherwise system-related periodically fluctuating requirements for laser energy is therefore a pendulum step movement according to the present invention the laser focusing unit realized relative to the workpiece, so in time means to achieve a balanced movement, for which the Focus unit only over small distances in relation to the ge velvet processing line must move along the workpiece.

Claims

1. A method for the deep treatment of workpieces by means of a laser beam, in particular for welding workpieces to one another, the laser beam being moved relative to the workpieces along a predetermined treatment path, characterized in that the movement at constant power of the laser beam as a function of the local one thermal requirements of the workpieces is changed.

2. The method according to claim 1, characterized in that between co-rotating and counter-rotating relative movement between laser beam and workpieces is switched.

3. The method according to claim 2, characterized in that periodically switched between parallel and opposite movements becomes.

4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that with mutually identical running and counter rotating Ge Velocity-time areas between the moving and against current movements is switched.

5. Device for the deep treatment of workpieces ( 11 ) by means of a laser beam ( 12 ), in particular for welding workpieces ( 11-11 ) together, with a feed device ( 14 ) for moving the laser beam ( 12 ) along a treatment path ( s ) the workpieces ( 11-11 ) - for carrying out the method according to one of the preceding claims -, characterized in that the feed device ( 14 ) for a movement ( v 1 ) of the laser beam ( 12 ) relative to the workpieces ( 11-11 ) is designed depending on the local thermal requirements of the workpieces ( 11-11 ).

6. The device according to claim 5, characterized in that the feed device ( 14 ) for periodic switching between moving movement ( vm ) and counter-rotating movement ( vg ) with respect to the workpiece movement ( vw ) while maintaining the same speed-time integrals ( vlm × tm = vlg × tg ) is designed.